Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 1: Các khái niệm chung

Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 1: Các khái niệm chung giới thiệu về transistor, vi mạch số tích hợp, cổng logic, phần tử nhớ, phương pháp thể hiện thiết kế, yêu cầu đối với thiết kế logic, kiến trúc của các IC khả trình, kiến trúc PROM, PAL, PLA, GAL; và phần câu hỏi ôn tập chương 1.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Thiết kế mạch logic số - Chương 1: Các khái niệm chung Chương mở đầu 1.Các khái niệm chung 1.1 Transitor Là linh kiện bán dẫn có khả năng làm việc như một công tắc bật tắt hoặc dùng để khuếch đại tín hiệu. Transitor là phần tử cơ bản của mọi vi mạch số tích hợp, từ các cổng logic đơn giản AND, OR, NOT... đến các loại phức tạp như các mạch điều khiển ngoại vi, vi điều khiển, vi xử l{… Transitor được làm từ vật liệu bán dẫn (sermiconductor), là vật liệu vừa có khả năng dẫn điện vừa có khả năng làm việc như những vật liệu cách điện, khả năng này thay đổi tùy theo kích thích từ bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, trường điện từ, dòng điện… Chất bán dẫn dùng để cấu tạo transitor thường là Germany (Ge) hoặc Silicon (Si) được kích tạp một lượng nhỏ Photpho(P) hoặc Boron (B) với mục đích tăng mật độ electron (kiểu N) tự do hoặc tăng mật độ lỗ trống (kiểu P) tương ứng trong tinh thể bán dẫn. Cấu trúc nguyên l{ của các dạng transitor được trình bày ở hình dưới đây: Hình 1.1: Cấu trúc transitor lưỡng cực BJTS, đơn cực FETs, diode Transitor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transitor) sử dụng nhiều trong thập kỷ 80s, đặc điểm của BJT là tốc độ chuyển mạch nhanh nhưng nhược điểm là mức tiêu thụ năng lượng lớn ngay cả trong trạng thái nghỉ và chiếm nhiều diện tích. Chương mở đầu 1 Sau đó BJTs dần được thay thế bằng transitor đơn cực FETs(Field Effect Transitors) làm việc trên hiệu ứng trường và kênh dẫn chỉ dùng một loại bán dẫn loại p hoặc n. MOSFETs (Metal-oxide-sermiconductor Field- Effect-Transitors) là transitor FETs nhưng dùng cực Cổng metal (về sau lớp metal được thay bằng polysilicon) phủ trên một lớp oxide cách điện và lớp này phủ trên vật liệu bán dẫn, tùy theo loại vật liệu bán dẫn mà transitor này có tên gọi là NMOS (kênh dẫn n) và PMOS (kênh dẫn p). CMOS (Complementary-Symmetry Metal-Oxide Sermiconductor) là transitor tạo thành từ việc ghép cặp bù PMOS và NMOS, có nhiều ưu điểm so với các dòng transitor cũ như hiệu điện thế làm việc thấp, độ chống nhiễu cao, tiêu tốn ít năng lượng và cho phép tích hợp trong IC số với mật độ cao. CMOS là công nghệ transitor được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. 1.2 Vi mạch số tích hợp Còn được gọi là IC – Intergrated Circuits, chip, là cấu trúc mạch điện được thu nhỏ bằng cách tích hợp chủ yếu từ các transitor với mật độ cao, ngoài ra còn có thể có các linh kiện điện thụ động khác trên một khối bán dẫn mỏng. Các vi mạch tích hợp đều có một số lượng tín hiệu đầu vào và đầu ra để thực hiện một chức năng cụ thể nào đó. Trong khuôn khổ giáo trình này chủ yếu nghiên cứu về vi IC số, tức là dạng IC chỉ làm việc với các tín hiệu số. ... ... IC a) b) Hình 1.2: a) Mô hình Vi mạch số tích hợp. b) Vi mạch tích hợp thực tế. Vi mạch tích hợp ra đời từ những năm 1960s và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đã và đang tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử. Ví dụ về vi mạch tích hợp như các IC đa dụng (general purposes IC) họ 7400, 4000, Chương mở đầu - Các khái niệm chung 2 các dòng vi xử l{ 80x86 dùng trong máy vi tính, chíp xử l{ dùng cho điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, các vi điều khiển dùng trong các thiết bị dân dụng, ti vi, máy giặt, lò vi sóng… Các vi mạch này có mật độ tích hợp từ hàng vài chục đến hàng trăm triệu, và hiện nay đã đến hàng tỷ transitor trong một miếng bán dẫn có kích cỡ xỉ đồng xu. Mật độ tích hợp được định nghĩa là tổng số những phần tử tích cực (transitor hoặc cổng logic) chứa trên một đơn vị diện tích của khối tinh thể bán dẫn. Theo mật độ tích hợp chia ra các loại vi mạch sau: - Vi mạch cỡ nhỏ SSI (Small scale integration), có hàng chục transitor trong một vi mạch. - Vi mạch cỡ vừa MSI (Medium scale integration), có hàng trăm transitor trong một vi mạch. - Vi mạch cỡ lớn LSI (Large scale integration), có hàng ngàn đến hàng chục ngàn transitor trong một vi mạch. - Vi mạch cực lớn VLSI (Very large scale integration), có hàng vạn, hàng triệu, hàng chục triệu transitor và lớn hơn trong một vi mạch, tới thời điểm hiện nay đã xuất hiện nhưng vi mạch có độ tích hợp đến hàng tỷ transitor. - Vi mạch siêu lớn (ULSI – Ultra large scale intergration), vi mạch có độ tích hợp với mức độ hàng triệu transitor trở lên. - WSI (Wafer-scale-Intergration) là giải pháp tích hợp nhiều vi mạch chức năng trên một tấm silicon (wafer) để tăng hiệu suất cũng như giảm giá thành sản phẩm, ví dụ hệ vi xử l{ nhiều nhân được tích hợp bằng WSI. - SoC (System-on-a-Chip) Khái niệm chỉ một hệ tính toán, xử l{ mà tất cả các khối chức năng số và cả tương tự được thiết kế để tích hợp vào trong một chip đơn. Trong khuôn khổ chương trình này sẽ dành thời lượng chính cho việc nghiên cứu cơ bản về công nghệ, phương pháp, quá trình thiết kế các vi mạch cỡ LSI, VLSI. 1.3. Cổng logic Cổng logic hay logic gate là cấu trúc mạch điện (sơ đồ khối hình ) được lắp ráp từ các linh kiện điện tử để thực hiện chức năng của các hàm logic cơ bản y = f(xn, xn-1,..., x1, x0). Trong đó các tín hiệu vào xn-1, xn-2,..., x1, x0 của mạch Chương mở đầu - Các khái niệm chung 3 tương ứng với các biến logic xn-1, xn-2,..., x1, x0 của hàm . Tín hiệu ra y của mạch tương ứng với hàm logic y. Với các cổng cơ bản thường giá trị n ≤ 4. x0 y x1 LOGIC GATE --- --- --- ...